聲學基礎(chǔ)知識
聲學基礎(chǔ)知識
聲學是物理學分支學科之一，是研究媒質(zhì)中機械波的產(chǎn)生、傳播、接收和效應的科學。媒質(zhì)包括物質(zhì)各態(tài)(固體、液體和氣體等)，可以是彈性媒質(zhì)也可以是非彈性媒質(zhì)。以下是由學習啦小編整理關(guān)于聲學知識的內(nèi)容，希望大家喜歡!
聲學的領(lǐng)域
介紹
與光學相似，在不同的情況，依據(jù)其特點，運用不同的聲學方法。
波動
也稱物理聲學，是用波動理論研究聲場的方法。在聲波波長與空間或物體的尺度數(shù)量級相近時，必須用波動聲學分析。主要是研究反射、折射、干涉、衍射、駐波、散射等現(xiàn)象。在關(guān)閉空間(例如室內(nèi)，周圍有表面)或半關(guān)閉空間(例如在水下或大氣中，有上、下界面)，反射波的互相干涉要形成一系列的固有振動(稱為簡正振動方式或簡正波)。簡正方式理論是引用量子力學中本征值的概念并加以發(fā)展而形成的(注意到聲波波長較大和速度小等特性)。
射線
或稱幾何聲學，它與幾何光學相似。主要是研究波長非常小(與空間或物體尺度比較)時，能量沿直線的傳播，即忽略衍射現(xiàn)象，只考慮聲線的反射、折射等問題。這是在許多情況下都很有效的方法。例如在研究室內(nèi)反射面、在固體中作無損檢測以及在液體中探測等時，都用聲線概念。
統(tǒng)計
主要研究波長非常小(與空間或物體比較)，在某一頻率范圍內(nèi)簡正振動方式很多，頻率分布很密時，忽略相位關(guān)系，只考慮各簡正方式的能量相加關(guān)系的問題。賽賓公式就可用統(tǒng)計聲學方法推導。統(tǒng)計聲學方法不限于在關(guān)閉或半關(guān)閉空間中使用。在聲波傳輸中，統(tǒng)計能量技術(shù)解決很多問題，就是一例。
分支
可以歸納為如下幾個方面：
從頻率上看，最早被人認識的自然是人耳能聽到的“可聽聲”，即頻率在20Hz～20000Hz的聲波，它們涉及語言、音樂、房間音質(zhì)、噪聲等，分別對應于語言聲學、音樂聲學、房間聲學以及噪聲控制;另外還涉及人的聽覺和生物發(fā)聲，對應有生理聲學、心理聲學和生物聲學;還有人耳聽不到的聲音，一是頻率高于可聽聲上限的，即頻率超過20000Hz的聲音，有“超聲學”，頻率超過500MHz的超聲稱為“特超聲”，當它的波長約為10-8m量級時，已可與分子的大小相比擬，因而對應的“特超聲學”也稱為“微波聲學”或“分子聲學”。超聲的頻率還可以高1014Hz。二是頻率低于可聽聲下限的，即是頻率低于20Hz的聲音，對應有“次聲學”，隨著次聲頻率的繼續(xù)下降，次聲波將從一般聲波變?yōu)?ldquo;聲重力波”，這時必須考慮重力場的作用;頻率繼續(xù)下降以至變?yōu)?ldquo;內(nèi)重力波”，這時的波將完全由重力支配。次聲的頻率還可以低至10-4Hz。需要說明的是，從聲波的特性和作用來看，所謂20Hz和20000Hz并不是明確的分界線。例如頻率較高的可聽聲波，已具有超聲波的某些特性和作用，因此在超聲技術(shù)的研究領(lǐng)域內(nèi)，也常包括高頻可聽聲波的特性和作用的研究。
從振幅上看，有振幅足夠小的一般聲學，也可稱為“線性(化)聲學”，有大振幅的“非線性聲學”。
從傳聲的媒質(zhì)上看，有以空氣為媒質(zhì)的“空氣聲學”;還有“大氣聲學”，它與空氣聲學不同的是，它主要研究大范圍內(nèi)開闊大氣中的聲現(xiàn)象;有以海水和地殼為媒質(zhì)的“水聲學”和“地聲學”;在物質(zhì)第四態(tài)的等離子體中，同樣存在聲現(xiàn)象，為此，一門尚未成型的新分支“等離子體聲學”正應運而生。
從聲與其它運動形式的關(guān)系來看，還有“電聲學”等等。
聲學的分支雖然很多，但它們都是研究聲波的產(chǎn)生、傳播、接收和效應的，這是它們的共性。只不過是與不同的領(lǐng)域相結(jié)合，研究不同的頻率、不同的強度、不同的媒質(zhì)，適用于不同的范圍，這就是它們的特殊性。
區(qū)別
聲學方法與光學方法的比較
聲學分析方法已成為物理學三個重要分析方法(聲學方法、光學方法、粒子轟擊方法)之一。聲學方法與光學方法(包括電磁波方法)相比有相似處，也有不同處。相似處是：聲波和光波都是波動，使用兩種方法時，都運用了波動過程所應服從的一般規(guī)律，包括量子概念(聲的量子稱為聲子)。
不同處是：
①光波是橫波，聲波在氣體中和液體中是縱波，而在固體中有縱波，有橫波，還有縱橫波、表面波等，情況更為復雜。
②聲波比光波的傳播速度小得多。(在氣體中約差百萬倍，在液體和固體中約差十萬倍)
③一般物體(固態(tài)或液態(tài))和材料對光波吸收很大，但對聲波卻很小，聲波在不同媒質(zhì)的界面上幾乎是完全反射。這些傳播性質(zhì)有時造成結(jié)果上的極大差別，例如在普通實驗室內(nèi)很容易驗證光波的平方反比定律(光的強度與到光源的距離平方成反比)，雖然根據(jù)能量守恒定律聲波也應滿足平方反比定律，但在室內(nèi)則無法測出。因為室內(nèi)各表面對聲波來說都是很好的反射面，聲速又比較小，聲音發(fā)出后要反射很多次，在室內(nèi)往返多次，經(jīng)過很長時間(稱為混響時間，嚴格定義見建筑聲學)才消失。任何點的聲強都是這些直達聲和反射聲互相干涉的結(jié)果，與距離的關(guān)系很復雜。這就是為什么直到1900年賽賓提出混響理論以前，人們對很多聲學現(xiàn)象不能理解的原因。
聲學的實際應用
應用
利用對聲速和聲衰減測量研究物質(zhì)特性已應用于很廣的范圍。測出在空氣中，實際的吸收系數(shù)比19世紀G.G.斯托克斯和G.R.基爾霍夫根據(jù)粘性和熱傳導推出的經(jīng)典理論值大得多，在液體中甚至大幾千倍、幾萬倍。這個事實導致了人們對弛豫過程的研究，這在對液體以及它們結(jié)構(gòu)的研究中起了很大作用(見聲吸收)。對于固體同樣工作已形成從低頻到起聲頻固體內(nèi)耗的研究，并對諸如固體結(jié)構(gòu)和晶體缺陷等方面的研究都有很大貢獻。
表面波、聲全息、聲成像、非線性聲學、熱脈沖、聲發(fā)射、超聲顯微鏡、次聲等以物質(zhì)特性研究為基礎(chǔ)的研究領(lǐng)域都有很大發(fā)展。
瑞利時代就已經(jīng)知道的表面波，現(xiàn)已用到微波系統(tǒng)小型化發(fā)展中。在壓電材料(如石英)上鍍收發(fā)電極，或在絕緣材料(如玻璃)上鍍壓電薄膜都可以作成表面波器件。聲表面波的速度只有電磁波的十萬分之幾，相同頻率下波長短得多，所以表面波器件的特點是小，在信號存儲上和信號濾波上都優(yōu)于電學元件，可在電路小型化中起很大作用。
聲全息和聲成像是無損檢測方法的重要發(fā)展。將聲信號變成電信號，而電信號可經(jīng)過電子計算機的存儲和處理，用聲全息或聲成像給出的較多的信息充分反應被檢對象的情況，這就大大優(yōu)于一般的超聲檢測方法。固體位錯上的聲發(fā)射則是另一個無損檢測方法的基礎(chǔ)。
聲波在固體和液體中的非線性特性可通過媒質(zhì)中聲速的微小變化來研究，應用聲波的非線性特性可以實現(xiàn)和研究聲與聲的相互作用，它還用于高分辨率的參量聲吶(見非線性聲學)中。 用熱脈沖產(chǎn)生的超聲頻率可達到1012Hz以上，為凝聚態(tài)物理開辟了新的研究領(lǐng)域。
次聲學主要是研究大氣中周期為一秒至幾小時的壓力起伏?；鹕奖l(fā)、地震、風暴、臺風等自然現(xiàn)象都是次聲源。研究次聲可以更深入地了解上述這些自然現(xiàn)象。次聲在國防研究上也有重要應用，可以用來偵察和辨認大型爆破、火箭發(fā)射等。大氣對次聲的吸收很小，比較大的火山爆發(fā)，氫彈試驗等產(chǎn)生的次聲繞地球幾周仍可被收到，可用次聲測得這些事件。固體地球內(nèi)聲波的研究已發(fā)展為地震學。
研究液氦中的聲傳播也很有意義。早在40年代，Л·Д·朗道就預計液氦溫度低于λ 點時可能有周期性的溫度波動，后來將這種溫度波稱為第二聲，而壓力波為第一聲。對第一聲和第二聲的研究又得到另外兩種聲：第三聲超流態(tài)氦薄膜上超流體的縱波，第四聲多孔材料孔中液氦中超流體內(nèi)的壓縮波。深入研究這些現(xiàn)象都已經(jīng)成為研究液氦的物理特性尤其是量子性質(zhì)的重要手段(見量子聲學)。
聲波可以透過所有物體：不論透明或不透明的，導電或非導電的，包括了其他輻射(如電磁波等)所不能透過的物質(zhì)。因此，從大氣、地球內(nèi)部、海洋等宏大物體直到人體組織、晶體點陣等微小部分都是聲學的實驗室。近年來在地震觀測中，測定了固體地球的簡正振動，找出了地球內(nèi)部運動的準確模型，月球上放置的地聲接收器對月球內(nèi)部監(jiān)測的結(jié)果，也同樣令人滿意。進一步監(jiān)測地球內(nèi)部的運動，最終必將實現(xiàn)對地震的準確預報，從而避免大量傷亡和經(jīng)濟損失。
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